模塊化的能夠運輸?shù)暮税l(fā)電機的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及利用模塊化、緊湊的、能夠運輸?shù)?、硬化核發(fā)電機生成電力和過程熱，該核發(fā)電機是可快速部署的且可快速取回的，該核發(fā)電機包括完全集成在容納核芯的單個壓力容器內(nèi)的動力轉換和發(fā)電裝備。
【背景技術】
[0002]核發(fā)電機自然地涉及在關停之后產(chǎn)生衰變熱能的核芯。通常，在很多因素之中，在關停之后產(chǎn)生的衰變熱能的量與以核芯為特征的燃料動力生成歷史和動力密度成比例。為了避免核燃料在芯的任何位置中的過熱，必須利用冗余的熱傳遞機構將衰變熱能從芯傳遞走，該熱傳遞機構通常由容器外部的系統(tǒng)和設計成容納芯的結構來支撐。這些冗余的冷卻系統(tǒng)包括復雜管道網(wǎng)絡，該復雜管道網(wǎng)絡將芯熱-液壓地聯(lián)接到熱交換器，該熱交換器位于容納芯的容器外部并專用于將來自芯的熱能傳遞到環(huán)境(即，最終熱阱)。穿過這些熱交換器的冷卻劑可利用電驅動的再循環(huán)器(即，栗、鼓風機)主動地循環(huán)，并且利用由專用于給穿過相對復雜的管道網(wǎng)絡的冷卻劑定路線或重定路線的閥調節(jié)的多個熱交換器來表示冗余度?？商娲?，借助于重力驅動的自然循環(huán)機構，基于當加熱或冷卻時冷卻劑密度改變的事實，冷卻劑可以被動地循環(huán)穿過類似地復雜的管道網(wǎng)絡，該復雜的管道網(wǎng)絡將芯熱-液壓地聯(lián)接到額外的芯熱交換器。現(xiàn)代的核反應堆依賴于可以被動地、主動地或被動地和主動地兩者的組合地操作的冗余芯衰變熱去除系統(tǒng)。
[0003]為了去除衰變熱能，采用“主動”安全特征的反應堆設計廣泛地依賴于電力來在停止之后使芯維持在安全溫度。為了確保在所有時間的安全操作和衰變熱能去除，這些設計需要通過至少連接到兩個場外電網(wǎng)提供的電力和由專用的冗余現(xiàn)場緊急柴油發(fā)電機(EDG)提供的緊急電力。
[0004]另一方面，某些類型的被動安全特征僅依賴于通常儲存在相對于芯定位在較高高度的罐或水結構中的水的重力和大存量。需要在芯和冷卻劑儲存結構之間的高度差異以使冷卻劑經(jīng)歷自然循環(huán)虹吸并有效地從芯去除衰變熱能。對于基于儲存的冷卻劑的被動安全特征，足夠地提供長期衰變熱去除的能力高度地依賴于冷卻劑存量和在各種環(huán)境溫度和濕度條件下重力驅動的芯冷卻機構的有效性。通常，隨著環(huán)境溫度增加，被動地產(chǎn)生對流芯冷卻的能力逐漸受損。結果是，基于儲存的冷卻劑存量的被動衰變熱去除對于在溫和氣候中操作的核發(fā)電機是最適合的。
[0005]因為被動和主動安全系統(tǒng)通常在容納芯的容器外部形成，所以結果是冗余管道、閥、熱交換器以及栗/鼓風機和輔助動力和控制電纜網(wǎng)絡(即，提供用于主動系統(tǒng)的機動-電力和控制所需要的)的復雜系統(tǒng)。專用于從芯去除熱能的管道和熱-液壓裝置(即，熱交換器)和電動裝備(即，栗)的復雜系統(tǒng)通常定義為核電廠配套設施。大部分核發(fā)電機(大的和小的)的核電廠配套設施基本上引起大的設施占用空間，對可以部署核發(fā)電機的場所強加限制，以及明顯地增加以核發(fā)電機設施為特征的資本成本。
[0006]商業(yè)操作的反應堆的核芯通常由水冷卻且裝載有核燃料元件，該核燃料元件涂覆有在存在高溫水/蒸汽的情況下氧化的材料。因為芯可例如由于冷卻劑缺失、或主動或被動系統(tǒng)衰變熱去除系統(tǒng)的失效、導致生成氫氣的在涂覆材料和水/蒸汽之間的化學反應，而經(jīng)歷過熱。氫氣隨后積聚且最終自燃，從而造成嚴重的安全挑戰(zhàn)。結果是，核電廠配備有冗余氫氣管理裝備，例如以執(zhí)行受控的點火并防止大量氫氣積聚。然而，該另外的安全特征進一步增加復雜性、增加操作成本并且可能不是可管理的，如多次核事故(例如在日本的Fukushima Daiichi核電站發(fā)生的事故)證明的。用于確保主動、被動或主動和被動的組合安全系統(tǒng)的且執(zhí)行其安全功能的冗余度的水平通常是基于假定設計基礎事故情況的概率風險判定的結果。并非所有可能的事故情況被考慮，因為超出設計基礎的事故情況的發(fā)生的可能性是非常低的。不幸的是，盡管冗余度和對于放射性從芯到環(huán)境的逃逸的多個工程設計屏障，但是甚至對于符合安全操作的大部分現(xiàn)代化規(guī)章指導的核發(fā)電站(即，F(xiàn)ukushima Daiichi發(fā)電站)，已經(jīng)發(fā)生了芯崩潰、氫氣爆炸、密封泄漏和大的放射性散落物，因而證明災難性事故(如由超出設計基礎的事故情況觸發(fā)的那些事故)具有不能接受的安全和經(jīng)濟沖擊，即使它們發(fā)生的可能性非常低。超出設計基礎的事故情況可能由極端的地震、海嘯、氣候有關的、恐怖分子/敵對事件代表。
[0007]小模塊化反應堆設計當與大的現(xiàn)代反應堆設計相比以較小的、模塊化且更容易可運輸?shù)牟考樘卣?。然而，在沒有首先在部署場所處被熱-液壓(和電)地聯(lián)接的情況下，這些部件或者模塊不能操作。這些模塊化部件的聯(lián)接通過與構造在包括芯的容器外部的復雜管道網(wǎng)絡、閥、被動和/或主動芯冷卻系統(tǒng)(核電廠配套設施)互連而發(fā)生。結果是，不管小模塊化反應堆的尺寸如何，基于小的模塊化反應堆設計的電站的部署和安裝需要幾個月進行場所準備、核電廠配套設施的安裝和所有輔助設備的聯(lián)接。實際上，一旦小模塊化反應堆系統(tǒng)被聯(lián)接，基于整體小的反應堆的電站占用空間和緊急撤離區(qū)域仍保留相當大的，甚至對于產(chǎn)生適度的或非常低的額定功率的小模塊化反應堆設計來說也是如此。一旦組裝，小的模塊化反應堆設計不能被運輸或取回且因此不能夠容易地部署，在沒有經(jīng)歷模塊化部件的拆卸和用于拆分核電廠配套設施的幾個月的情況下，它們也不能被從場所取回，對于多個分離的和可能放射性的小模塊化反應堆部件的去除來說，通常具有很長的關停過程。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]鑒于前述內(nèi)容，繼續(xù)需要一種真實可運輸?shù)摹⑼耆刹僮鞯?、緊湊的模塊化核發(fā)電機系統(tǒng)和用于安全地生產(chǎn)電能的方法，具有提供過程熱的選擇，能夠在任何氣候條件下、在具有安全地應付極端環(huán)境應激事件(包括嚴重的地震和洪水事件)的能力的任何場所并且以固有地減小假定的設計基礎的后果以及超出設計基礎的事故情況的方式安全地操作。
[0009]鑒于上述內(nèi)容，公開了一種可運輸?shù)挠不o湊的模塊化核發(fā)電機。公開的發(fā)電機由容納在容器中的核芯形成，該容器包括集成的動力轉換和動力發(fā)生裝備，不需要額外容器的核電廠配套設施，并且包括如下特征，即在所有事故情況(包括超出設計基礎的事故情況和設計基礎攻擊情況)下被動地確保芯冷卻。
[0010]根據(jù)現(xiàn)場特定電需求(和過程熱需求)，可運輸?shù)摹⒂不?、緊湊的模塊化核發(fā)電機，為簡化在后面稱為可運輸?shù)暮税l(fā)電機，可以構造成利用各種芯構造、材料、冷卻劑和減速劑操作，以便利用被構造成利用各種熱動態(tài)動力循環(huán)(即，布雷頓、蘭金)操作的集成的動力轉換裝備和被構造成調節(jié)電壓和頻率以匹配現(xiàn)場特定電需求的動力發(fā)生裝備來將由芯產(chǎn)生的熱能轉換成電和過程熱。
[0011]在某些構造中，當利用被構造成經(jīng)由氣體布雷頓循環(huán)轉換熱能的動力轉換模塊操作時，可運輸?shù)暮税l(fā)電機可以提供從至(兆瓦熱)的額定功率，具有約45%的效率。在該示范性構造下，單個可運輸?shù)暮税l(fā)電機代表能夠產(chǎn)生4.5Mffe至18Mffe (兆瓦電)的動力發(fā)生單元。因為可運輸?shù)暮税l(fā)電機可以利用被動冷卻經(jīng)由越過其熱傳遞表面的自然空氣循環(huán)來操作，所以其能夠與多個可運輸?shù)暮税l(fā)電機單元群集以便匹配現(xiàn)場特定的電和/或過程熱需求。因為可運輸?shù)暮税l(fā)電機是可容易運輸?shù)暮涂扇菀兹』氐模云溥m合于各種應用，例如，其可以用于在偏遠區(qū)域或未附接電網(wǎng)的地方的電力生成和過程熱應用。另外的應用可以包括用于各種基于陸地或人工島工業(yè)過程(采礦、油氣提取、軍事安裝)、船舶推進和作為在關鍵大功率電網(wǎng)相互連接處的快速電網(wǎng)后備系統(tǒng)的動力生成。
[0012]在一個示范性構造中，可運輸?shù)暮税l(fā)電機由三個主要模塊形成:(I)可交換的反應堆動力模塊，其容納芯、控制系統(tǒng)和冷卻劑流動反向結構，(2)動力轉換模塊，其包括渦輪機械裝備和熱交換器，以及(3)發(fā)電模塊，其包括快速電動發(fā)電機、電子控制器和在啟動操作期間使用的不間斷電源(即，電池)。一旦通過密封凸緣熱-液壓聯(lián)接，三個模塊形成被動地與周圍環(huán)境交換熱能的單個硬化容器。形成動力轉換模塊的渦輪機械系統(tǒng)的旋轉裝備機械地聯(lián)接到單個軸，該單個軸也機械地聯(lián)接到被集成在發(fā)電模塊的電動發(fā)電機中的旋轉部件的軸，因此所有旋轉裝備匹配以利用磁軸承在相同速度下無摩擦地旋轉。每一個模塊可以獨立地運輸，或者所有三個完全地組裝成允許可運輸?shù)暮税l(fā)電機容易操作的單個容器?？蛇\輸?shù)暮税l(fā)電機的完全組裝的或分離的模塊運輸科根據(jù)運輸標準(即，利用標準運輸裝備)執(zhí)行。當完全組裝地運輸時，可運輸?shù)暮税l(fā)電機代表可快速部署的和可快速取回的完全可操作的電力發(fā)電機。
[0013]在一個示范性構造中，可運輸?shù)暮税l(fā)電機模塊可以利用密封和鎖定凸緣聯(lián)接以便形成水平操作的單個硬化壓力容器。在具有重新定向的外部和內(nèi)部的可運輸?shù)暮税l(fā)電機熱傳遞翅片的另一構造中，可運輸?shù)暮税l(fā)電機可以豎直地操作。所有三個模塊包括由內(nèi)部和外部翅片形成的高度集成的熱交換器，該內(nèi)部和外部翅片構造成對內(nèi)部部件提供支撐同時通過形成多個內(nèi)部和外部結構肋充分地增強整個結構。與集成的渦輪機械和電動發(fā)電機裝備組合的集成的熱交換器允許在不需要外部核電廠配套設施的情況下操作，從而明顯地減少了總體占用空間、易損性和冷卻劑損失情況的可能性?？蛇\輸?shù)暮税l(fā)電機可以采用多種類型的芯，包括防熔化的傳導式陶瓷芯。可運輸?shù)暮税l(fā)電機冷卻劑流動路徑構造成確保熱能高效轉換成電能。這些冷卻劑路徑通過定位具有低流體動態(tài)阻力的內(nèi)部翅片來獲得，該內(nèi)部翅片提供芯結構支撐，同時確保通過傳導熱傳遞機構將來自芯的衰變熱能傳遞到可運輸?shù)暮税l(fā)電機外部翅片。在該構造中，甚至在完全缺失冷卻劑時，可運輸?shù)暮税l(fā)電機芯可以安全地和被動地向可運輸?shù)暮税l(fā)電機周圍的環(huán)境傳遞衰變熱能?，F(xiàn)在更詳細地描述形成單個容器可運輸?shù)暮税l(fā)電機的三個模塊。
[0014]在一個構造中，反應堆動力模塊集成以富含裂變材料(即，鈾或钚)加燃料的反應堆芯、中子反射器、多個反應控制系統(tǒng)、用于使冷卻劑有效地通過反應堆動力模塊循環(huán)的流動通道和將反應堆動力模塊聯(lián)接到動力轉換模塊的熱-液壓系統(tǒng)。反應堆動力模塊容器可以優(yōu)選地由C-C復合材料或合適的金屬材料制成。芯可以是具有滿足額定功率需求的材料組分和熱傳遞特性的任何合適的芯。
[0015]優(yōu)選的芯構造包括具有嵌入到碳化硅(SiC)中以形成燃料元件的陶瓷微封裝燃料的傳導式陶瓷芯。
[0016]在一個示范性構造中，可運輸?shù)暮税l(fā)電機配備有包括單塊的三結構各向同性加燃料(MTF)元件的“防熔化”芯。在該構造中，芯由燃料元件制成，該燃料元件利用在被密封到SiC或SiC復合物元件中的SiC球粒中的TRISO燃料(在后面稱為全陶瓷微封裝(FCM)燃料)或者利用被分布在MTF元件中的三結構各向同性(TRISO)顆粒來制造?？梢允褂迷谇蛄：?或塊中產(chǎn)生具有足夠的結構強度和耐輻射性的SiC的任何燒結的、緊湊的或其它SiC制造過程。在一個優(yōu)選構造中，可以使用納米滲透和短暫共晶相(NITE) SiC燒結過程。球?？梢?